高温下双层串联微穿孔板结构声学特性研究

    为满足高温燃烧室环境抑制声不稳定燃烧的需要,需考虑温度变化及高温条件下微穿孔板结构的声学特性。由于双层结构比单层结构具有更好的吸声特性[1-3],因此本文提出了在以微穿孔板结构作为燃烧室内不稳定燃烧的声抑制装置中,在燃烧室质量及空间有限的情况下,可以将单层微穿孔板一分为二,采用与单层结构具有同样穿孔率、穿孔半径及质量、占用同样空间的双层串联微穿孔板结构。

    本文作者通过声-电类比法推导了在温度变化条件下双层串联微穿孔板结构的吸声系数的计算公式,并与单层结构的吸声特性进行了仿真对比分析。同时分析了不同温度下双层串联结构的相对声阻与相对声质量的声学特性和吸声特性曲线。最后得出将单层微穿孔板结构一分为二,采用与单层结构具有同样穿孔率、同样穿孔半径、同样质量、占用同样空间的双层串联微穿孔板结构的方法具有更宽的吸声频带,更好的吸声效果。在高温条件下,其吸声特性曲线更平坦,吸声频带更宽,从而可达到宽频带范围内降低噪声及声抑制的目的。

    1 理论分析

    1.1 单层微穿孔板

    单层微穿孔板的相对声阻和相对声质量分别为[1-2]

    空腔的声抗率

    式中 M为空气运动黏度;c为声速;p为微穿孔板的穿孔率;x为微穿孔板常数;X为角频率;ZD为板后空腔的声阻抗率;Q为空气密度。

    温度变化时,空气的密度、运动黏度和声速都会发生相应的变化,具体变化如下:

    (1)密度Q=P/(RgT),P为大气压力,Rg为摩尔气体常数。

    (2)运动黏度M=L/Q。其中=17.1@10-6为0e时空气动力黏度值,C=111为常数。

    (3)声速,其中kc为绝热指数,Rg为摩尔气体常数。

    将温度变化时空气的密度、运动黏度和声速的表达式代入式(1)~(4),就可得温度变化时单层微穿孔板相对声阻、相对声质量以及空腔的声抗率。

    1.2 双层串联微穿孔板结构

    图1为双层串联微穿孔板结构及其等效电路图。由等效电路可推得双层串联微穿孔板结构的声阻抗率[3]

    式中R1、M1、ZD1、R2、M2、ZD2分别为外、内层微穿孔板的声阻率、声抗率及空腔的声抗率。

    双层串联微穿孔板的相对声阻抗为

    经过数学运算及化简,可得相对声阻

    相对声质量

    其中r1、r2、m1、m2可由式(1)、(2)确定。温度变化条件下双层串联微穿孔板的吸声系数

    图2、3分别为T=300 K、400 K时单层结构与双层串联结构的A对比曲线。